, (16)
, (17)
, (18)
где , .
Следовательно, для получения приведенных выше скалярных соотношений необходимо оперировать матрицами, размерность которых согласована с числом активных и пассивных элементов одного D-элемента.
3. Частотные свойства структурных схем
Площади усиления и статический коэффициент передачи ОУ, входящих в состав D-элементов, не только изменяют коэффициенты передаточной функции, но и повышают ее порядок, что изменяет положение нулей и полюсов и, следовательно, изменяет ожидаемые характеристики и параметры проектируемого устройства. Для учета этого эффекта можно воспользоваться соотношением (7). Тогда, если
, , (19)
несложно получить
, (20)
. (21)
Полученные соотношения показывают, что уменьшение указанного выше влияния возможно двумя основными способами. В первом случае необходимо увеличивать частоту единичного усиления и коэффициент передачи всех активных элементов. Этот способ является традиционным и связан с ужесточением технологических норм изготовления полупроводниковых компонентов интерфейсных схем. В рамках второго способа решения задачи синтезируются структуры с минимальными вещественными и мнимыми составляющими локальных функций и произведений . Схемы, обладающие такими свойствами, в соответствии с [6], уместно назвать схемами с собственной компенсацией влияния технологических погрешностей изготовления активных элементов. При этом, как это следует из приведенных соотношений, возможны два основных случая. Во-первых, для различных ОУ локальные передаточные функции могут характеризоваться различными знаками, имеющими суммарное (взаимное) влияние на знаменатель передаточной функции. Аналогичный вывод характерен и для числителя, однако здесь необходимо дополнительно рассматривать произведение локальных передаточных функций и . Следовательно, целенаправленному изменению могут подвергаться как функция , так и . Во-вторых, аналогичный эффект достигается минимизацией всех указанных локальных передач в рабочем диапазоне частот. В этом случае согласования численных значений Pj и m j не требуется.
При микроэлектронной реализации, в частности на БМК, частота единичного усиления и статический коэффициент передачи ОУ оказываются практически идентичными, поэтому при решении целого класса практических задач можно совмещать как собственную, так и взаимную компенсации влияния этих технологических погрешностей на результирующие характеристики проектируемого устройства.
Из соотношения (14) следует, что локальные передаточные функции , характеризующие влияние ОУ на знаменатель передаточной функции, являются диагональными элементами матрицы (15). В силу того, что базовые D-элементы содержат два ОУ [3], поставленная задача связана с формированием ведущих миноров матрицы второго порядка
(22)
и может решаться простым перебором альтернативных вариантов соединения активных и пассивных элементов.
Аналогичные условия могут быть сформулированы и для матриц (16) и (17), компоненты которых определяют локальные передаточные функции и .
С отмеченных позиций рассмотрим частотные свойства устойчивых D-элементов [3], принципиальные схемы которых в режиме звена второго порядка приведены на рис. 5–6.
Рис. 5. Звено Антонио с резистивной нагрузкой
Рис. 6. Звено Антонио с емкостной нагрузкой
Рис. 7. Звено Брутона с резистивной нагрузкой
Рис. 8. Звено Брутона с емкостной нагрузкой
Учитывая, что для всех схем , , в соответствии с таблицей 1, матрицы частотозависимых цепей будут иметь следующий вид
; ; , (23)
поэтому
. (24)
Результаты анализа в соответствии с приведенными соотношениями (табл. 1), (14), (15) сведены в табл. 2 и 3. Как видно из анализа числителей локальных передаточных функций и , характер влияния площадей усиления входящих в схемы ОУ различен, что и требует более детального сопоставительного анализа схем именно по этому критерию.
Таблица 2
Структура матриц D-элемента
Схема рис.
Матрицы схем
5
6
7
8
Примечание. Для всех схем .
Таблица 3
Локальные передаточные функции D-элементов
Числитель локальной передаточной функции
Примечание. Для всех схем знаменатель передаточной функции имеет вид:
Из (19) и (20) следует, что в общем случае знаменатель передаточной функции будет иметь следующий вид
. (25)
Как видно из табл. 3,
, (26)
. (27)
В соответствии с методикой [4] представим полином (25) в окрестности частоты полюса () в виде
, (28)
где
, (29)
. (30)
Таким образом, при реализации полного полинома второго порядка в числителе локальных функций возможна собственная компенсация влияния частоты единичного усиления на затухание полюса; что касается аналогичного влияния на частоту полюса, то это возможно, только когда воспроизводит функцию заграждающего фильтра. Результаты указанных преобразований при для рассматриваемых схем приведены в табл. 4.
Таблица 4
Погрешности реализации параметров полюса
Влияние частотных свойств ОУ на параметры звеньев
Полученные результаты показывают, что потенциально более высокими частотными свойствами характеризуются звенья Антонио. Так, в случае применения идеальных ОУ в схеме рис. 5 при наблюдается взаимная компенсация влияния первого и второго ОУ на затухание полюса, а в схеме рис. 6 – собственная компенсация, которая свободна от указанного ограничения. Однако ни одна из существующих схем не обеспечивает минимизацию влияния ОУ на положение частоты полюса.
4. Динамический диапазон обобщенной структуры устойчивых D-элементов
Верхняя граница динамического диапазона любой ARC-схемы определяется не только максимальным выходным напряжением активных элементов при заданном коэффициенте нелинейных искажений, но и свойствами схемы. В общем случае на выходах активных элементов и, в частности, ОУ, в рабочем диапазоне частот W напряжения могут превышать выходное напряжение схемы (всплески коэффициента передачи – перенапряжения), определяемое входным сигналом и максимальным коэффициентом передачи , (). Именно поэтому верхний уровень динамического диапазона определяется соотношением
, () или , (), (31)
где , ().
Таким образом, в лестничных структурах, построенных на базе D-элементов, нагрузка подключается к выходу частотозависимой цепи , что в конечном итоге и уменьшает максимально возможный уровень неискаженного сигнала.
Основное влияние на динамический диапазон схемы оказывают собственные шумы, которые обусловлены шумовыми свойствами резисторов и активных элементов. При параметрической оптимизации вклад резистивных элементов можно существенно уменьшить выбором их номиналов и типов. Например, для уменьшения значений номиналов резисторов до уровня нагрузочной способности ОУ или других АЭ можно всегда увеличить емкость конденсатора. В этой связи при проектировании высококачественных схем необходимо сконцентрировать усилия на минимизации вклада активных элементов в собственный шум схемы. В этом случае
, (32)
, (33)
где – эквивалентная спектральная плотность мощности источников шумовой модели j-го ОУ; – границы рабочего диапазона частот W.
Страницы: 1, 2, 3, 4
